Le malattie neurodegenerative, tra cui il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson, la malattia di Huntington, la sclerosi laterale amiotrofica e la demenza frontotemporale, sono malattie devastanti senza cura nota, principalmente a causa della mancanza di comprensione dei meccanismi sottostanti della malattia. Numerosi ceppi mutanti di topi sono stati generati come modelli per studiare queste malattie 1,2,3,4,5. Sebbene siano state ottenute informazioni fondamentali sulla patologia e sui meccanismi della malattia, le indagini a risoluzione subcellulare e le analisi ad alto rendimento come gli screening dei farmaci non sono fattibili nei modelli animali. I sistemi cellulari e i piccoli modelli animali riempiono questa nicchia.
Le colture di cellule staminali pluripotenti indotte umane (hIPSC) e la differenziazione neuronale sono un potente sistema per studiare gli effetti delle alterazioni genetiche in un background umano. Tuttavia, diverse condizioni di coltura, protocolli di differenziazione e pregiudizi basati sull'utente portano molte volte a problemi di riproducibilità. Dhingra et al. presentano l'automazione delle colture hiPSC e delle differenziazioni neuronali compatibili con l'imaging e l'analisi automatizzati6. Questo sistema non solo porta a una coltura e a una differenziazione più riproducibili delle cellule IPS umane in linee neuronali, ma consente anche il monitoraggio automatizzato in tempo reale dei fenotipi cellulari, compresa la quantificazione delle lunghezze dei neuriti, la formazione di aggregati o l'assorbimento di specie proteiche patogene e la neurodegenerazione per un periodo di 2 mesi.
I cambiamenti nell'omeostasi del calcio sono stati collegati a varie malattie neurodegenerative, in particolare il morbo di Parkinson7. Bancroft e Srinivasan presentano un protocollo per quantificare il flusso di calcio in neuroni dopaminergici in coltura8. Il sistema presentato può portare a una migliore comprensione di come la segnalazione anomala del calcio inneschi la perdita di neuroni dopaminergici e può essere utilizzato come piattaforma di screening farmacologico ad alto rendimento per l'identificazione di composti neuroprotettivi.
La perdita di sinapsi è una caratteristica comune tra le malattie neurodegenerative9. Tuttavia, le ragioni di fondo rimangono poco chiare. Sidiski e Babcock presentano un metodo per quantificare l'integrità sinaptica in modo dipendente dall'età nelle giunzioni neuromuscolari del tessuto del muscolo longitudinale dorsale (DLM) in Drosophila melanogaster10. È importante sottolineare che il loro protocollo di dissezione, che prevede il congelamento rapido del tessuto, preserva sia il tessuto neuronale che quello muscolare e, grazie alla facilità di manipolazione genetica del moscerino, consente lo studio dei cambiamenti nell'integrità sinaptica e della sua degenerazione in modelli di malattie neurodegenerative.
Le malattie neurodegenerative e l'invecchiamento sono legati ai fallimenti della proteostasi11 e sono state implicate sia la degradazione che la sintesi delle proteine. Papandreou et al. presentano un protocollo per quantificare la sintesi proteica de novo 12, utilizzando il recupero della fluorescenza dopo fotobleaching (FRAP) in modelli di C. elegans che esprimono GFP. Questo sistema può essere esteso alle fusioni GFP di qualsiasi proteina legata alla malattia, sia ampiamente espressa nel sistema nervoso del verme che mirata a cellule o tessuti specifici, e consente lo studio in vivo della sintesi proteica in assenza di metodi non radioattivi e non invasivi, oltre ad avere la capacità di eseguire screening genetici o di piccole molecole per identificare nuovi modulatori per superare la disfunzione proteostatica.
La protezione contro l'aggregazione proteica e la morte dei neuroni sono strategie ricercate per rallentare le malattie neurodegenerative. Palikaras et al. descrivono come il precondizionamento da shock termico in C. elegans promuova la neuroprotezione contro la morte cellulare innescata dall'alfa-sinucleina e una diminuzione degli aggregati indotti da PolyQ13.
Le malattie neurodegenerative colpiscono più di 50 milioni di persone in tutto il mondo, senza alcuna cura nota. Con i recenti progressi nell'editing genetico e nella tecnologia IPSC, i modelli cellulari e piccoli animali hanno il vantaggio di affrontare in modo acuto i meccanismi molecolari e cellulari sottostanti alla malattia, consentono manipolazioni genetiche rapide ed economiche e sono ideali come piattaforma di screening ad alto rendimento per librerie di nuovi composti terapeutici. Questa raccolta di metodi di malattia facilita i ricercatori nell'utilizzo di alcuni di questi modelli.